高氨氮有机废水深度处理新利器：SCONDAⓇ工艺
来源：环境纵横作者：周鑫
随着我国经济社会快速发展，焦化、化工、石油、屠宰、制药、养殖、垃圾填埋等重点行业发展迅速，但同时也排放出了大量废水。这些废水常具有污染物（COD、氨氮、有机氮）浓度高、可生化性差等特点。近年来，随着《水污染防治行动计划》（水十条）的发布，对这些重点行业排放废水的深度处理提出了更严苛的要求。然而，应用于含氮有机废水处理的传统硝化-反硝化脱氮工艺，常存在着总氮去除率低、能耗高、药耗多、工艺流程长等问题，严重阻碍了废水处理的可持续发展。基于厌氧氨氧化(Anammox)的自养生物脱氮工艺是废水脱氮领域涌现的新型脱氮技术，为废水高效节能处理提供了新的思路和方向。然而，废水中较高的COD对Anammox的成功应用提出了巨大挑战；另一方面，Anammox是自养生物过程，对COD去除几乎无能为力。因此，能否建立一种新型工艺，在同一反应器内发挥Anammox菌高效低耗脱氮的同时，实现同步COD去除？对此，来自太原理工大学的周鑫教授团队与新加坡南洋理工大学的刘雨教授合作研发了一种异养/自养耦合型部分Anammox一体化生物膜新工艺—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，该工艺有机结合了短程硝化-反硝化-Anammox等异养与自养脱氮过程，可实现高浓度含氨有机废水的一步式高效处理，相关成果已发表于Bioresource Technology、Chemosphere等，有望为该领域提供一种经济高效、普适性强的新型脱氮处理技术，应用前景广阔。
反应系统与启动
为实现SCONDA，首先建立了有效容积为5 L的SBBR系统（图1），内部填充聚氨酯泡绵载体，以SBR方式运行；进水中添加高浓度NH4+-N和葡萄糖作为反应底物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水温控制为30±1℃；pH为7.5-7.8。接种污泥分别采用城市污水处理厂的好氧活性污泥和焦化废水处理厂的短程硝化污泥，在启动大约3个月后进入试验阶段。
运行策略与系统脱氮性能
在运行阶段，为促进短程脱氮过程中NO2--N积累和Anammox的脱氮性能，分别采用两种不同的运行策略实现SCONDA过程。
策略Ⅰ：逐步提高进水氨氮浓度
以城市污水处理厂好氧活性污泥为接种污泥。为淘汰亚硝酸氧化菌（NOB），氨氮浓度从100 mg-N/L逐步增加到300 mg-N/L以提高游离氨（FA）浓度，DO约为1.2 mg/L，C/N为3。运行160多个周期后，反应系统COD、NH4+-N和TN去除率最高分别达94.3%、92.6%、86%（图2所示）。出水中TN以NH4+-N和NO2--N为主，载体上生物膜颜色由棕黄色逐渐变成微红色。
采用高通量测序研究了反应系统中的微生物群落结构。结果显示，优势微生物为异养菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧异养菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自养菌方面，Nitrosomonas（2.4%）为主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）为优势厌氧氨氧化菌。该结果表明系统成功实现了短程硝化、反硝化和厌氧氨氧化等脱氮过程。
策略Ⅱ：直接从短程硝化过程转换
以短程硝化污泥为接种污泥，在第一阶段保持氨氮浓度为300 mg/L，C/N比为2。由于高FA和限氧作用，系统能够实现稳定的短程硝化，然而受低C/N比影响TN去除率仅为40%。在第二阶段通过缩短水力停留时间的方式，进水氨氮负荷从0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO从2.5 mg/L降至1.2 mg/L。结果显示（图3所示），尽管NH4+-N和COD去除有一定的下降，但TN去除提升至80%以上，且氮去除负荷显著提高。此时生物膜颜色转变成红色。
采用高通量测序研究了反应系统中的微生物群落结构。结果显示，在两运行阶段中异养菌均为优势菌，但在阶段二条件下微生物群落更具多样化。在自养菌方面，较阶段一，经过阶段二运行后反应系统中AOB丰度下降了32%，而厌氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未检出提高至2.7%。上述结果表明，通过运行控制反应系统已由完全短程硝化-反硝化过程转换为短程硝化-反硝化耦合厌氧氨氧化过程，其中Anammox的实现对系统TN去除提高具有重要作用。
物料平衡分析
对SCONDA体系中的碳和氮进行物料衡算分析。结果显示（图4），在氮素去除方面，短程硝化-反硝化贡献了TN去除的53%，而短程硝化-Anammox贡献了43%，表明这两种脱氮途径在系统中对高效脱氮均具有重要作用。在碳素去除方面，55%的COD通过好氧过程被降解，而32%的COD经反硝化途径去除。
碳氮去除过程
基于以上结果，推断SCONDA工艺中碳氮去除过程（图5所示）。首先，约80%的氨氮经短程硝化被氧化为亚硝氮，其中部分在低C/N作用下经反硝化去除，而剩余亚硝氮与20%的氨氮通过Anammox反应去除。高FA、低DO的运行方式和生物膜空间分层结构促进了Anammox的富集与活性发挥。化学计量学计算进一步表明，SCONDA工艺对氧和有机碳的需求量分别为2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。与传统硝化-反硝化脱氮工艺相比，SCONDA工艺可节省40%供氧和67%有机碳源的需求，COD和TN去除效率高，温室气体减排明显，显示了良好的技术和经济性能，具有较好的竞争优势。
SCONDA生物膜解构
采用微电极测试和分层测序对SCONDA生物膜进行解构。结果表明（图6），低氧曝气方式下生物膜内部存在明显的氧梯度，由外向内依次为好氧区、缺氧区和厌氧区。在好氧区，好氧异养菌（HOB）和AOB可去除大部分COD，同时由于低DO和高FA条件有助于实现短程硝化；在缺氧区，异养反硝化菌（DHB）利用少量剩余COD进行反硝化；在厌氧区，残留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的作用下实现进一步氮的去除。综上，由于SCONDA生物膜内部微空间的生态位分异，实现了HOB、AOB、DHB及Anammox菌的功能互补和代谢互促，进而提高了废水总氮的去除效果。
应用展望
综上研究，SCONDA显示了优良的脱氮除碳性能。在高浓度含氨有机废水废水处理应用方面，SCONDA可直接应用于具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）废水的一体化处理；而对于较高C/N废水，可预设高速厌氧消化单元进行部分COD去除及产甲烷回收，然后与SCONDA工艺耦合实现工艺简化与节能降耗的目的。目前，研究团队已将SCONDA工艺成功应用于含苯酚、含吡啶等有毒难降解高浓度含氮有机模拟废水处理，并同步开展煤化工、屠宰等实际行业废水处理技术应用。此外，基于SCONDA的理念亦正在拓展应用于低氨氮城市污水主流脱氮中。相信在未来含氮有机废水可持续处理领域，SCONDA工艺将具有更广阔的应用前景。
